北斗卫星导航B1C信号捕获算法的设计与实现

发布时间：2020-04-05 11:32

【摘要】：北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)已经发展到了全球组网阶段。为了提升导航定位性能,北斗卫星导航系统新增了 B1C信号作为全球公开服务信号。随着全球组网速度的加快,北斗B1C信号将成为北斗卫星导航系统中重要的广播信号,B1C信号捕获是卫星导航接收机信号同步的关键,其捕获算法直接影响接收机的导航性能。因此,北斗卫星导航B1C信号捕获算法的设计与实现具有重要的实用价值。本文在综述国内外导航信号捕获算法研究现状基础上,根据北斗B1C信号的信号特性,设计并实现了北斗B1C信号捕获算法,主要工作如下:1.阐述了导航信号捕获的基本理论,分析了导航信号捕获算法的性能指标,研究了 GNSS(全球导航卫星系统)导航信号捕获算法,给出了针对传统BPSK调制信号的捕获算法和针对现代化BOC调制信号的捕获算法,分析了各个捕获算法的性能;2.研究了北斗B1C信号的信号特性,根据北斗B1C信号的特点,提出了一种基于PCF(伪相关函数)的北斗B1C信号捕获算法,该算法设计了 QMBOC(正交复用二进制偏移载波)信号的伪相关函数,采用了数据分量和导频分量联合捕获策略,给出了自适应门限判决方法,所提出的算法有效消除了 B1C信号的自相关边峰,实现了 B1C信号的无模糊捕获,提高了捕获灵敏度;3.针对北斗B1C信号带宽较大的特点,设计了基于ZYNQ架构的卫星导航接收机,并对北斗B1C信号捕获算法进行了模块化设计,给出了各功能模块的实现流程,利用VHDL语言和C语言,在ZYNQ平台上对各功能模块进行了电路设计与软件开发,验证了本文提出的捕获算法各模块的功能;4.在卫星导航接收机上,对北斗B1C信号捕获算法进行了测试,测试了导航中频信号带宽、B1C信号捕获情况、捕获时间以及捕获算法运行功耗等性能,测试结果表明,所提出的捕获算法能够准确地捕获北斗B1C信号。
【图文】：

导航接收机,内部结构

２．１．１导航接收机内部结构逡逑导航接收机属于导航系统用户设备部分，用于获取定位导航信息，导航接收逡逑机的内部结构如图２－１所示。逡逑全频点天线逡逑一？低噪放一？邋ＲＦ芯片——？邋ＡＤＣ邋逦？邋ＦＰＧＡ芯片邋逦？邋ＤＳＰ处理器邋一一？用户界面逡逑射频前端处理部分逦基带数字信号处理部分逦定位解算部分逡逑图２－１导航接收机的内部结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ邋ｒｅｃｅｉｖｅｒ邋ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑导航接收机分为射频前端处理、基带数字信号处理以及定位解算三个功能模逡逑块。射频前端的全频点天线接收可见卫星播发的信号，接收到卫星信号后，经过逡逑功率放大输入到射频芯片，射频芯片对射频信号进行混频滤波处理，得到模拟中逡逑频信号，再经ＡＤＣ采样得到数字中频信号；接收机的基带处理包括捕获、跟踪、逡逑位同步、报文同步、电文译码五个部分，在现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）中完成数逡逑字中频信号基带处理之后，得到导航电文数据，然后ＦＰＧＡ将数据重新封装为适逡逑合ＳＰＩ接口传输的报文帧，通过串口传输给处理器；ＤＳＰ处理器从导航报文中解逡逑算得到卫星时间、卫星位置、伪距、多普勒频移等数据，对这些数据进行定位解逡逑算

二维搜索,卫星信号

编号进行相应本地码的生成，并利用本地码来进行相关运算。因此，，对于单个卫逡逑星信号的捕获实质上是在载波频率、伪码相位所组成的二维空间内的信号搜索，逡逑单个卫星信号的二维搜索如图２－２所示。逡逑一个搜索单元逦１逡逑ｒｌ逦邋邋ｐｐ逡逑逦逦邋邋频逡逑起始搜索单元一？逦邋邋邋｜逡逑逦逦％逡逑逦区逡逑逦邋邋间逡逑逦逦逦逡逑＜逦码相位搜索区间逦？逡逑图２－２单个卫星信号的二维搜索逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｓｅａｒｃｈ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｓａｔｅｌｌｉｔｅ邋ｓｉｇｎａｌ逡逑卫星运动相对于地面接收机的多普勒频移范围可通过计算求得，若卫星信号逡逑的载波中心频率为NB，产生的最大多普勒频移为５０００Ｈｚ，则频率搜索区间是逡逑（NB－５0００，邋NB＋５0００）。码相位搜索区间由测距码周期决定，若测距码周期为ｃ个逡逑码片，则码相位搜索区间为（０，邋ｅ－ｌ）。捕获算法和接收机的启动方式共同决定了逡逑起始搜索单元的选择，每个搜索单元对应的估计值误差为半个频率步进宽度和半逡逑个码片长度［５＜＞］。逡逑导航信号的捕获涉及到本地信号的复制、相关运算、积分运算以及信号检测，逡逑信号捕获的原理如图２－３所示。逡逑８逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN967.1

【参考文献】